Análisis Estructural Unwedge

ASESORA GEOMECNICA. SECTOR MANTO NORTE.

MINA ATACAMA KOZAN

INFORME

Fecha: 5/01/2012

Cdigo: 1128

Revisin: 04

Responsable: JMG/GIM

Realizado: CMD/SVM

SUBTERRA INGENIERIA, Ltd.

Jos M. Infante, 2802.

uoa Santiago. Chile. Fono: (56-2) 651 7670

Fax: (56-2) 651 7672

[email protected]

[email protected]

www.subterra-ing.com

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ASESORA GEOMECNICA. SECTOR MANTO NORTE. MINA ATACAMA KOZAN.

NDICE

0. ANLISIS DE ESTABILIDAD DE LAS GALERAS ........................................................................................................................ 9

0.1. ANLISIS POR MTODOS EMPRICOS .............................................................................................................................. 10

0.1.1. Metodologa de trabajo ........................................................................................................................................................ 10

0.1.2. Resultados obtenidos ........................................................................................................................................................... 12

0.2. ANLISIS MEDIANTE CONVERGENCIA-CONFINAMIENTO ....................................................................................... 14

0.3. ANLISIS ESTRUCTURAL ........................................................................................................................................................ 17

0.3.1. Metodologa de trabajo ........................................................................................................................................................ 18

0.3.2. Resultados obtenidos ........................................................................................................................................................... 19

0.3.2.1. Orientacin N S .......................................................................................................................................................... 19

0.3.2.2. Orientacin NE SW (45) ........................................................................................................................................ 21

0.3.2.3. Orientacin NE SW (65) ........................................................................................................................................ 23

0.3.2.4. Orientacin E - W .......................................................................................................................................................... 24

0.3.2.5. Orientacin ENE - WSW ............................................................................................................................................ 25


ANEXOS:

I. PLANILLAS DE CAMPO

II. LISTADO DE DATOS GEOMECNICOS

III. LISTADO DE RMR

IV. ANLISIS ESTEREOGRFICO DE LASJUNTAS

V. ENSAYOS DE CARGA PUNTUAL (PLT)

VI. AJUSTES DEL CRITERIO DE ROTURA DE HOEK-BROWN

VII. CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS GALERAS

VIII. ANLISIS ESTRUCTURAL DE LAS GALERAS

IX. ANLISIS ESTRUCTURAL DE LOS CASERONES

X. ANLISIS TENSODEFORMACIONAL DE LOS CASERONES

PLANOS:

1. PLANO DE SITUACIN DE PUNTOS DE OBSERVACIN

2. PLANO LITOLGICO Y ESTRUCTURAL

3. PLANO DE DISCONTINUIDADES

4. PLANO DE CALIDAD GEOMECNICA

5. PERFIL GEOLGICO

6. SECCIONES TIPO GALERIAS

7. SECCIONES TIPO CASERONES


NDICE FIGURAS

Figura 5.1.1.a.- Determinacin, aproximada, del sostenimiento de un tnel. Barton y Bieniawski (2008), basado

en Grinstad y Barton, 1993. ................................................................................................................................................................. 11

Tabla 5.1.1.I.- Evaluacin del E.S.R. (Grinstad y Barton, 1993). ............................................................................................ 11

Figura 5.1.1.b- Reduccin ssmica del valor de Q para obtener un aumento del 25% en la presin de

sostenimiento ............................................................................................................................................................................................ 12

Tabla 5.1.2.I.- Parmetros de clculo para el prediseo mediante las clasificaciones geomecnicas ...................... 12



Tabla 5.1.2.a.- Recomendaciones de sostenimiento en funcin de la calidad geomecnica ....................................... 13

Figura 5.2.a.- Esquema de una seccin longitudinal del avance del tnel .......................................................................... 14

Figura 5.2.b.- Representacin de las distintas curvas en un grfico pi vs ui ...................................................................... 15

Figura 5.2.c.- Distintas opciones a la hora de elegir el sostenimiento .................................................................................. 16

Tabla 5.2.I.- Resumen de los resultados obtenidos para las secciones tipo propuestas ............................................... 17

Tabla 5.3.1.I.- Caractersticas de las familias de juntas estudiadas ...................................................................................... 18

Figura 5.3.2.1.a.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J2 y J3 y la galera .................................... 19

Figura 5.3.2.1.b.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J2 y J4 y la galera .................................... 19

Figura 5.3.2.1.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J2 y J5 y la galera ....................................... 19

Figura 5.3.2.1.d.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J3 y J4 y la galera .................................... 19

Figura 5.3.2.1.e.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J3 y J5 y la galera .................................... 20

Figura 5.3.2.1.f.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J4 y J5 y la galera ..................................... 20

Figura 5.3.2.1.g.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J2, J4 y J5 y la galera .................................... 20

Figura 5.3.2.1.h.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J3, J4 y J5 y la galera .................................... 20

Tabla 5.3.2.1.I.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo I ............. 21



Figura 5.3.2.2.c.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J3 y J5 y la galera .................................... 22



















Tabla 5.3.2.5.II.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para la

orientacin N-S......................................................................................................................................................................................... 27

Tabla 5.3.2.5.III.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para la

orientacin NE-SW (45) ....................................................................................................................................................................... 28

Tabla 5.3.2.5.IV.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para

la orientacin NE-SW (65) .................................................................................................................................................................. 28

Tabla 5.3.2.5.V.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para la

orientacin E-W........................................................................................................................................................................................ 28


....................................................................................................................................................................................................................... 28

NDICE TABLAS



Tabla 5.1.1.I.- Evaluacin del E.S.R. (Grinstad y Barton, 1993). ............................................................................................ 11

Figura 5.1.1.b- Reduccin ssmica del valor de Q para obtener un aumento del 25% en la presin de

sostenimiento ............................................................................................................................................................................................ 12

Tabla 5.1.2.I.- Parmetros de clculo para el prediseo mediante las clasificaciones geomecnicas ...................... 12




Tabla 5.1.2.a.- Recomendaciones de sostenimiento en funcin de la calidad geomecnica ....................................... 13

Figura 5.2.a.- Esquema de una seccin longitudinal del avance del tnel .......................................................................... 14

Figura 5.2.b.- Representacin de las distintas curvas en un grfico pi vs ui ...................................................................... 15

Figura 5.2.c.- Distintas opciones a la hora de elegir el sostenimiento .................................................................................. 16

Tabla 5.2.I.- Resumen de los resultados obtenidos para las secciones tipo propuestas ............................................... 17

Tabla 5.3.1.I.- Caractersticas de las familias de juntas estudiadas ...................................................................................... 18



Figura 5.3.2.1.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J2 y J5 y la galera ....................................... 19



Figura 5.3.2.1.f.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J4 y J5 y la galera ..................................... 20

Figura 5.3.2.1.g.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J2, J4 y J5 y la galera .................................... 20

Figura 5.3.2.1.h.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J3, J4 y J5 y la galera .................................... 20
























orientacin N-S......................................................................................................................................................................................... 27


orientacin NE-SW (45) ....................................................................................................................................................................... 28

Tabla 5.3.2.5.IV.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para

la orientacin NE-SW (65) .................................................................................................................................................................. 28


orientacin E-W........................................................................................................................................................................................ 28


....................................................................................................................................................................................................................... 28

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SUBTERRA INGENIERA, S.L. | ASESORA GEOMECNICA. SECTOR MANTO NORTE. MINA ATACAMA KOZAN 8

ASESORA GEOMECNICA. SECTOR MANTO NORTE. MINA ATACAMA KOZAN.

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0. ANLISIS DE ESTABILIDAD DE LAS GALERAS

Para realizar el diseo del sostenimiento de un tnel, generalmente se sigue una metodologa progresiva, que aplica

sucesivamente diferentes criterios y procedimientos, en el siguiente orden:

Clasificaciones geomecnicas: mtodos empricos basados en la experiencia en otros tneles, que dan un

prediseo muy ajustado del sostenimiento a instalar.

Clculo de bloques: basados en la teora de bloques, que determina dnde pueden existir bloques peligrosos

en un macizo rocoso interceptado por diferentes discontinuidades. Los bloques se forman por la interseccin de

juntas y fracturas en el macizo rocoso. Estos clculos son complementarios a los mtodos numricos.

Mtodos analticos: el mtodo analtico de las curvas caractersticas, tambin denominado convergencia-

confinamiento, Panet (1985), permite superar algunas de las deficiencias que presenta la aproximacin mediante

las clasificaciones geomecnicas.

Mtodos numricos: una vez predefinidos los sostenimientos con los criterios basados en las clasificaciones

geomecnicas, se aplican mtodos basados en el anlisis de simulaciones numricas utilizando cdigos de

elementos de contorno.

Son muchos los esquemas de clasificacin geomecnica de macizos rocosos que se han desarrollado desde que Ritter, en

1879, intentara formalizar un mtodo para el diseo de tneles. La mayora de los mtodos de clasificacin multi-

paramtricos (Wickham, Bieniawski, Barton, etc.) se han desarrollado para su uso en obra civil, introduciendo todo tipo de

componentes de la caracterizacin geotcnica del macizo rocoso.

De todas las clasificaciones existentes en la bibliografa, las dos ms extendidas y desarrolladas son el Sistema Rock Mass

Rating RMR de Bieniawski y el Sistema Q de Barton. De ellos, el sistema de Barton es el ms utilizado habitualmente, pues

presenta una definicin muy precisa de sostenimientos, adaptados a cualquier terreno, tamao de la excavacin e

importancia relativa de la obra proyectada.

Por lo que respecta a los clculos de bloques de roca, estos son clculos meramente cinemticos de la estabilidad de

bloques de roca, considerando su peso y la resistencia la corte de las juntas o discontinuidades que singularizan dichos

bloques. En este proyecto se ha empleado el programa de Rocscience, UNWEDGE.

Los mtodos analticos se basan en el empleo de la formulacin clsica de la teora de la elasticidad aplicada al terreno,

analizando un problema bidimensional en deformacin plana, considerando un tnel circular y un terreno indefinido,

homogneo e istropo.

Con carcter general se suelen estudiar tres casos: medio elstico y tensiones iniciales istropas, medio elstico y

tensiones iniciales anistropas y medio elastoplstico con tensiones iniciales istropas.

La limitacin de este mtodo reside en la simplificacin de las hiptesis de partida, aunque facilita rdenes de magnitud de

tensiones y deformaciones, as como su distribucin.

Tomando como base el desarrollo de los mtodos analticos se encuentra el mtodo de las curvas caractersticas, que se

ha llevado a cabo mediante el programa ROCSUPPORT de Rocscience.

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0.1. ANLISIS POR MTODOS EMPRICOS

En primer lugar se presentan los resultados obtenidos empleando mtodos empricos.

0.1.1. Metodologa de trabajo

Basndose en un gran nmero de casos histricos de excavaciones subterrneas, Barton, del Instituto Noruego de

Geotecnia, propuso el ndice de Calidad de Construccin de Tneles (Q) para la determinacin de las caractersticas de los

macizos rocosos y los requerimientos de sostenimiento.

El valor de Q vara en una escala logartmica desde 0,001 hasta 1.000, estando definido como:

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

Donde:

RQD = ndice RQD.

Jn = Parmetro funcin del nmero de juntas.

Jr = Parmetro funcin de la rugosidad de las juntas.

Ja = Parmetro funcin del grado de alteracin de las juntas.

Jw = Parmetro funcin de la presencia de agua en las juntas.

SRF = Parmetro funcin del nivel tensional que sufre la roca.

El ndice Q de Barton tambin se puede calcular relacionndolo con el RMR de Bieniawski, mediante la expresin:

944RMR

eQ

Para disear el sostenimiento a instalar, Barton utiliza las dimensiones de la excavacin a realizar y el tipo de uso que se

va a dar a la obra (ESR) para definir la Dimensin equivalente (De) de la excavacin.

ESR

BDe

Donde:

B = anchura de la excavacin (m)

ESR = parmetro funcin del nivel tensional que se obtiene de la tabla mostrada a continuacin en funcin del

uso que se vaya a dar a la excavacin.

Conocidos la Dimensin equivalente y el valor Q, el sostenimiento a utilizar se puede estimar mediante el baco,

presentado por Grinstad y Barton (1993) y que se muestra en la Figura 5.1.1.a.

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En la Tabla 5.1.1.I se presentan los valores recomendados para el ESR.

Figura 5.1.1.a.- Determinacin, aproximada, del sostenimiento de un tnel. Barton y Bieniawski (2008), basado en

Grinstad y Barton, 1993.

CLASE TIPO DE EXCAVACIN E.S.R.

A Excavaciones mineras temporales. 3-5

B Pozos verticales de seccin circular. 2,5

C Excavaciones mineras permanentes, tneles hidrulicos, tneles piloto, pozos planos, excavaciones iniciales en

las de gran seccin. 1,6

D Cavernas de almacenamiento, plantas de tratamiento de aguas, tneles carreteros y ferroviarios de seccin

media. 1,3

E Cavernas hidroelctricas, tneles de gran seccin, excavaciones militares, emboquilles tneles. 1,0

F Instalaciones nucleares, estaciones de ferrocarril e instalaciones industriales. 0,8

Tabla 5.1.1.I.- Evaluacin del E.S.R. (Grinstad y Barton, 1993).

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Para la aplicacin del ndice Q en diseos ssmicos de sostenimientos, Barton (1984) propone incrementar el valor del SRF

en un 100 %, lo que grosso modo se traduce en una reduccin del valor habitual de Q a la mitad:

Q (diseo ssmico) = Q (diseo esttico)

En trminos de presin de sostenimiento, esta regla supone incrementar su valor en un 25 %, como se muestra en la

Figura 5.1.1.b.

Figura 5.1.1.b- Reduccin ssmica del valor de Q para obtener un aumento del 25% en la presin de sostenimiento

Barton recomienda que este incremento en la presin del sostenimiento se materialice a base de pernos, cerrando la malla

e incrementando la longitud si fuese necesario. La razn que indica para esta recomendacin es que de ese modo se

limitan los movimientos en las diaclasas, y con ello tambin se limitan los posibles incrementos de filtraciones tras los

terremotos.

0.1.2. Resultados obtenidos

Los parmetros de clculo a emplear en las galeras se muestran en la Tabla 5.1.2.I.

EXCAVACIN RMR B(m) ESR DE Q QSSMICA

GALERA

55

5 1,6 3,125

3,39 1,70

40 1,06 0,53

35 0,367 0,18

Tabla 5.1.2.I.- Parmetros de clculo para el prediseo mediante las clasificaciones geomecnicas

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En la Figura 5.1.2.a se muestra el baco de Barton con las caractersticas propias de cada uno de los tres RMR definidos

para las tres unidades diferenciadas, Manto, Manto Lajado y Lutitas.

Figura 5.1.2.a.- Determinacin, aproximada, del sostenimiento de un tnel. Barton y Bieniawski (2008), basado en

Grinstad y Barton, 1993.

SECCIN RMR SOSTENIMIENTO RECOMENDADO

ST-I >55 Pernos ocasionales 22 mm de 2,5 m de longitud

ST-II 55 40 Pernos 22 mm de 2,5 m de longitud con un espaciado de 1,25 m x 1,25 m

ST-III < 40 9 cm de hormign proyectado

Pernos 22 mm de 2,5 m de longitud con un espaciado de 1 m x 1 m

Tabla 5.1.2.a.- Recomendaciones de sostenimiento en funcin de la calidad geomecnica

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De acuerdo con esta recomendacin se han definido los siguientes sostenimientos:

Sostenimiento Tipo I

Sin sostenimiento. Pernos ocasionales de 2,5 m de longitud y 22 mm.

Sostenimiento Tipo II

Pernos 22 mm de 2,5 m de longitud con un espaciado de 1,25 m x 1,25 m.

Malla biscocho

Sostenimiento Tipo III

9 cm de shotcrete SH25 con 35 kg/m3 de fibras metlicas

Pernos 22 mm de 2,5 m de longitud con un espaciado de 1,0 m x 1,0 m.

Estos prediseos son los que se pasarn a comprobar mediante modelizacin la cada de bloques y las curvas

caractersticas.

0.2. ANLISIS MEDIANTE CONVERGENCIA-CONFINAMIENTO

Bajo ciertas condiciones de simetra de carga y geometra regular de la excavacin (excavacin cilndrica o esfrica) es

posible efectuar un anlisis simplificado de la interaccin terreno-sostenimiento que permita el proyecto de este ltimo.

Aunque el anlisis es relativamente sencillo, se tienen en cuenta parmetros fundamentales del terreno (mdulos elsticos,

criterios de rotura, deformabilidad post-rotura) y del sostenimiento (rigidez y su ltima carga). La idea fundamental del

procedimiento se esquematiza en la Figura 5.2.a.

Figura 5.2.a.- Esquema de una seccin longitudinal del avance del tnel

En la seccin BB, ya excavada y prxima al frente, la tensin p0 ha desaparecido y el contorno del tnel ha experimentado

un desplazamiento hacia el interior (ui). Debido a la marcada tridimensionalidad del problema no es posible en principio

efectuar un anlisis bidimensional en seccin plana. De hecho, en estas condiciones (2D, deformacin plana) una seccin

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circular sin presin interior se deformara considerablemente ms que lo que se observara en una seccin como la BB

prxima la frente.

Sin embargo se podra mantener el anlisis bidimensional si se supusiera la existencia de una presin pi ficticia tal que su

aplicacin conduzca al mismo desplazamiento radial ui que en el caso real tridimensional. En este caso la variacin

continua desde pi= p0 hasta pi=0 reproducira el complejo proceso de deformacin desde una seccin AA, sin alterar por la

construccin del tnel hasta la seccin del tnel sin revestimiento alguno y alejada del frente, para evitar su efecto 3D.

La relacin entre esta pi y ui constituye la denominada curva caracterstica o curva de convergencia del tnel y slo

depende de las propiedades del terreno (para una geometra circular). Lo normal, sin embargo, es que a una cierta

distancia del frente d (seccin CC) se coloque un determinado sostenimiento (bulones, hormign proyectado, cerchas,

revestimientos continuos o una combinacin de alguno de ellos) que inmediatamente entrar en carga al menos por dos

razones:

El progresivo alejamiento del frente lo que supone la disminucin virtual de la carga pi y por tanto un incremento

de deformacin radial.

Las deformaciones diferidas de la roca al transcurrir el tiempo.

En una primera aproximacin el revestimiento reaccionar con una determinada rigidez constante (k) frente a las

deformaciones impuestas.

Figura 5.2.b.- Representacin de las distintas curvas en un grfico pi vs ui

Teniendo en cuenta que se instala una vez que la roca se ha deformado una magnitud ud, la respuesta del revestimiento se

puede escribir:

dii uukp

El desplazamiento ud corresponde a una determinada presin virtual sobre el tnel pd. La ecuacin anterior se denomina

CF (curva de confinamiento) y se puede ver en la Figura 5.2.b.

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Finalmente, tnel y revestimiento alcanzarn una posicin nica de equilibrio (seccin DD) cuando se alcancen la presin y

desplazamiento (peq, ueq) comunes a las dos curvas CC y CF.

Para una determinada curva CC el proyectista o constructor puede optar por la instalacin de un revestimiento muy prximo

al frente (ud1) o lejos de l (ud2), como muestra la Figura 5.2.c Puede tambin elegir la rigidez del sostenimiento (rgido: k1;

deformable kn). En principio, cuanto ms rgido sea un sostenimiento y ms prximo al frente se instale, mayor ser la

presin de equilibrio que ha de soportar y menor el desplazamiento radial (o convergencia) del tnel.

Figura 5.2.c.- Distintas opciones a la hora de elegir el sostenimiento

El fundamento del mtodo consiste en dibujar la curva de convergencia, que se asocia al terreno y la curva de

confinamiento, que lo hace al sostenimiento, sobre un diagrama donde el eje horizontal representa la deformacin del

contorno de la excavacin hacia el interior y el eje vertical se asocia con la tensin radial del elemento de terreno situado en

el contorno de la superficie excavada del tnel.

La curva del terreno, que se obtiene de las ecuaciones caractersticas de la elasticidad, se puede descomponer en tres

partes que simulan el comportamiento del terreno; una parte elstica, representada por una lnea recta, que disminuye su

tensin y aumenta la deformacin a medida que se excava; una parte plstica, representada por una curva que se inicia

cuando se supera el criterio de rotura, cuya forma depende del comportamiento plstico del terreno. Si en esta fase la curva

corta al eje de abscisas (deformacin), la excavacin es estable sin necesidad de utilizar ningn elemento auxiliar; por el

contrario, si la curva no toca el eje y comienza a ascender se asocia con la fase de colapso de la excavacin.

En este contexto se puede representar la curva del sostenimiento, con inicio a partir de una deformacin o relajacin

estimada del terreno y con un comportamiento elstico al inicio, hasta que se corte con la curva caracterstica del terreno,

obteniendo en ese caso el punto de equilibrio, que define la deformacin radial alcanzada por el contorno del tnel y la

presin que la roca est ejerciendo sobre el sostenimiento.

Para aplicar este mtodo es necesario:

Determinar la curva CC (que slo depende de las caractersticas del terreno)

Determinar la rigidez del sostenimiento (k).

Determinar la deformacin del tnel ud (o de forma equivalente, pd) correspondiente a la instalacin del

sostenimiento.

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El mtodo descrito tiene las limitaciones que se derivan de las hiptesis o condiciones que conducen a su formulacin. Las

ms sobresalientes son:

Estado de tensiones inicial istropo y homogneo.

Geometras circulares.

Dificultades para adaptar el comportamiento tridimensional del frente y en para estimar la deformacin.

Como ventajas se seala que es posible obtener soluciones analticas para muchos casos, que la comparacin con otros

mtodos ms avanzados (numricos) es bastante satisfactoria y que proporciona un buen entendimiento de los fenmenos

de interaccin entre terreno y sostenimiento.

La limitacin del mtodo convergencia confinamiento es la que se puede asociar a cualquier mtodo analtico, aunque en

este caso se aporta la participacin de los elementos de sostenimiento.

Para el anlisis analtico expuesto se ha empleado el programa ROCSUPPORT. Se trata de un programa desarrollado por

la Universidad de Toronto (Rock Engineering Group) para la estimacin de la deformacin en excavaciones circulares.

A travs del programa RocSupport se comprueban los sostenimientos mediante el mtodo analtico de las curvas

caractersticas.

Los resultados obtenidos en dicho anlisis se adjuntan en forma de apndice en el Anexo VII, donde se muestran las

curvas caractersticas tanto del terreno como del sostenimiento propuesto en cada uno de los casos, la seccin con los

sostenimientos correspondientes aplicados y la zona de terreno que plastifica alrededor de la excavacin.

En la Tabla 5.2.I se puede ver un resumen de los resultados con los factores de seguridad obtenidos, siendo en todos los

casos factores de seguridad superiores a 1,89. En el caso de la ST-I al no existir sostenimiento sistemtico no se

proporciona un valor numrico para valorar el factor de seguridad, pero en cualquier caso, la estabilidad de la excavacin

queda asegurada puesto que se esperan unos porcentajes de convergencias de 0,12 %, el menor de los tres tipos de

soporte calculados.

Secciones

Tipo RMR Unidad

Sobrecarga

(m)

Radio de Plastificacin (m) Convergencia (%)

F.S. Sin

sostenimiento

Con

sostenimiento

Sin

sostenimiento

Con

sostenimiento

ST-I > 55 Manto Lajado 475 2,99 - 0,12 - -

ST-II 40 - 55 Lutitas 475 4,14 4,03 0,69 0,65 2,20

ST-III < 40 Lutitas 475 5,77 4,53 2,55 1,48 2,24

Tabla 5.2.I.- Resumen de los resultados obtenidos para las secciones tipo propuestas

0.3. ANLISIS ESTRUCTURAL

En tneles excavados en terrenos competentes fracturados, pueden producirse problemas de estabilidad, asociados a las

juntas del macizo rocoso, que independicen cuas susceptibles de caer al hueco creado.

En general, este problema de cuas se da tambin en los macizos rocosos menos competentes, pero en estos casos el

sostenimiento dispuesto para asumir la plastificacin del terreno suele cubrir con creces las necesidades derivadas de la

cada de bloques en los terrenos de RMR < 50.

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0.3.1. Metodologa de trabajo

Para el anlisis de la estabilidad de bloques de roca se ha empleado el programa UNWEDGE. Se trata de un programa

desarrollado por la Universidad de Toronto (Rock Engineering Group) para el anlisis de la geometra y estabilidad de

cuas en excavaciones subterrneas.

El anlisis que realiza el programa UNWEDGE se basa en la asuncin de que las cuas, definidas por tres planos de junta

que se intersectan, estn sometidas slo a fuerzas gravitacionales derivadas de su peso; es decir, se desprecia el efecto

del estado tensional alrededor de la excavacin, lo cual est en la mayora de los casos del lado de la seguridad.

Las hiptesis y simplificaciones que deben asumirse, para realizar este anlisis son las siguientes:

El anlisis es vlido para excavaciones en terreno competente donde no se produzca plastificacin apreciable.

Las juntas que definen las cuas se consideran suficientemente persistentes y perfectamente planas y situadas

de forma que las cuas que se analizan son las mximas que se pueden formar en el tnel.

La excavacin tiene seccin constante.

El programa permite considerar cohesin y friccin en las juntas, aunque tambin permite obtener las propiedades de las

juntas a partir de datos de campo segn el criterio de Barton Bandis.

Se analiza el efecto del sostenimiento, a base de pernos (de anclaje puntual o repartido), y/o con concreto lanzado, que se

comprueba al corte segn la teora del falling block. Finalmente, es posible la visualizacin de las cuas formadas y

evaluacin de los factores de seguridad.

Las propiedades geomecnicas de las discontinuidades necesarias para la realizacin de los clculos, han sido

determinadas a partir de las estaciones geomecnicas realizadas.

El programa UNWEDGE 3.0 permite calcular la resistencia al corte de una junta o familia de juntas a partir de medidas

tomadas en campo, utilizando para ello el criterio de rotura de Barton Bandis.

Por otra parte, las estaciones geomecnicas permiten definir zonas a lo largo del tnel con patrones de fracturacin

similares.

En la Tabla 5.3.1.I se presentan las propiedades geomtricas y mecnicas de las familias de juntas obtenidas de las

estaciones. Al objeto de estar del lado de la seguridad, se ha considerado una cohesin de junta nula.

FAMILIA BUZAMIENTO DIR.BUZAMIENTO b

J1 87 184 26

J2 74 241 26

J3 84 58 26

E1 22 291 26

E2 10 72 26

Tabla 5.3.1.I.- Caractersticas de las familias de juntas estudiadas

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Dependiendo del trazado de las galeras estos se han distinguido segn su orientacin, a cada uno de los cuales se le ha

asignado unas juntas dependiendo de su localizacin. (NW-SE, ENE-WSW, N-S, E-W).

0.3.2. Resultados obtenidos

A continuacin se presentan los resultados obtenidos en el anlisis realizado. Las discontinuidades por las que se ven

afectadas las galeras estudiadas son las obtenidas de las estaciones geomecnicas realizadas. Estas se han agrupado en

tres familias de juntas (J1, J2 y J3) y dos familias de estratificacin (E1 y E2). Existen cinco orientaciones de galeras

diferentes: 0, 45, 65, 90 y 155. Los resultados obtenidos para cada orientacin se muestran a continuacin.

0.3.2.1. Orientacin N S

En las Figuras 5.3.2.1.a a 5.3.2.1.h se muestra la proyeccin estereogrfica de las familias de juntas que forman cuas,

as como el eje de la galera.

Figura 5.3.2.1.a.- Proyeccin estereogrfica de las familias

de juntas J1, J2 y J3 y la galera

Figura 5.3.2.1.b.- Proyeccin estereogrfica de las familias


Figura 5.3.2.1.- Proyeccin estereogrfica de las familias


Figura 5.3.2.1.d.- Proyeccin estereogrfica de las familias


INFORME


Figura 5.3.2.1.e.- Proyeccin estereogrfica de las familias


Figura 5.3.2.1.f.- Proyeccin estereogrfica de las familias


Figura 5.3.2.1.g.- Proyeccin estereogrfica de las familias


Figura 5.3.2.1.h.- Proyeccin estereogrfica de las familias


En el Anexo VIII se muestra una tabla con el resultado del anlisis cinemtico de cuas, donde se puede observar los

distintos bloques que pueden formarse en la galera por combinacin de juntas, indicndose el peso de la cua formada y

el factor de seguridad frente a la cada sin la consideracin de sostenimiento.

Los resultados obtenidos de este primer clculo ponen de manifiesto la existencia de cuas inestables susceptibles de caer

en el interior de la excavacin. Estas cuas se encuentran en las zonas superiores de las cajas y en la bveda.

El programa UNWEDGE calcula por defecto el bloque de mayor tamao que puede formarse segn la geometra de la

galera y la orientacin de las familias de juntas. No obstante, en el clculo del sostenimiento se ha tenido en cuenta la

limitacin del tamao de bloques impuesta por la continuidad real de las juntas, obtenida de las estaciones geomecnicas

realizadas.

INFORME


Para la optimizacin del sostenimiento se ha partido de la seccin tipo ST-I, la cual est constituida por pernos ocasionales

de 2,5 m de longitud, colocados en las zonas donde se forman cuas con un factor de seguridad menor de 1,5. Dicho

sostenimiento corresponde con la seccin tipo ms ligera propuesta utilizando en baco de Grinstad-Barton.

En la Tabla 5.3.2.1.I se muestran los factores de seguridad resultantes antes y despus de la aplicacin del sostenimiento

con las distintas combinaciones de juntas.

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

0

Caja dcho. J1/J3/E2 7.193 0,18 3.26

Caja dcho. J1/E1/E2 2.063 1,4 >10

Caja dcho. J2/E1/E2 4.883 1,2 >10

Caja dcho. J1/J2/E1 40.478 0,25 1.54

Caja dcho. J1/J2/E2 4.656 0,24 4.88

Caja dcho. J3/E1/E2 4.985 0,051 >10

Clave J1/J2/J3 1.099 0 >10

Clave J1/J3/E1 10.975 0 1.91

Clave J1/E1/E2 3.252 0 >5

Clave J2/E1/E2 2.404 0 >5

Tabla 5.3.2.1.I.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo I

Como puede observarse, los factores de seguridad para todas las cuas con sostenimiento son superiores a 1,5.

0.3.2.2. Orientacin NE SW (45)

En las Figuras 5.3.2.2.a a 5.3.2.2.b se muestra la proyeccin estereogrfica de las familias de juntas entre las que se

forman cuas, as como la proyeccin de la propia galera.





INFORME


Figura 5.3.2.2.c.- Proyeccin estereogrfica de las familias








en el interior de la excavacin. Estas cuas se encuentran en las zonas de las cajas.


de 2,5 m de longitud colocados en las zonas donde se forman cuas con un factor de seguridad menor de 1,5. En la Tabla

5.3.2.2.I se muestran los factores de seguridad resultantes antes y despus de la aplicacin del sostenimiento con las

distintas combinaciones de juntas.

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

45

Caja izq. J1/J3/E2 1.928 0,18 >10

Caja dcho. J1/J2/E1 15.557 0,24 1.805

Caja dcho. J1/J2/E2 1.924 0,24 >10

Caja dcho. J1/E1/E2 59.084 1,21 2.008



INFORME


0.3.2.3. Orientacin NE SW (65)

En las Figuras 5.3.2.3.a a 5.3.2.3.c se muestra la proyeccin estereogrfica de las familias de juntas entre las que se






Figura 5.3.2.3.c.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J1, J4 y J5 y la galera



el factor de seguridad frente a la cada sin la consideracin de sostenimiento. Los resultados obtenidos de este primer

clculo ponen de manifiesto la existencia de cuas inestables susceptibles de caer en el interior de la excavacin. Estas

cuas se encuentran en las zonas de las cajas.


de 2,5 m de longitud colocados en las zonas donde se forman cuas con un factor de seguridad menor de 1,5. Dicho

sostenimiento corresponde con la seccin tipo ms ligera propuesta utilizando en baco de Grinstad - Barton



INFORME


ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

65

Caja dcho. J1/J2/E1 11.051 0,25 1,934

Caja dcho. J1/E1/E2 44.482 1,2 1,912

Clave J1/J3/E1 6.121 0 1,903


0.3.2.4. Orientacin E - W

En las Figuras 5.3.2.4.a y 5.3.2.4.b se muestra la proyeccin estereogrfica de las familias de juntas entre las que se










INFORME









sostenimiento corresponde con la seccin tipo ms ligera propuesta utilizando en baco de Barton.



ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

90

Caja izq. J1/J3/E2 3.226 0,18 3.112

Caja dcho. J1/J2/E1 12.691 0,24 1.613

Caja dcho. J1/E1/E2 2.253 0,24 4.495

Caja dcho. J1/J3/E1 11.693 0 1.788



0.3.2.5. Orientacin ENE - WSW

En las Figuras 5.3.2.5.a a 5.3.2.5.e se muestra la proyeccin estereogrfica de las familias de juntas entre las que se






INFORME






Figura 5.3.2.5.e.- Proyeccin estereogrfica de las familias de juntas J2, J4 y J5 y la galera








sostenimiento corresponde con la seccin tipo ms ligera propuesta utilizando en baco de Grinstad - Barton.



INFORME


ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

155

Caja izq. J1/J3/E2 1.555 0,18 >10

Caja izq. J1/E1/E2 63.724 1,4 2.339

Caja izq. J2/E1/E2 3.251 1,2 >5

Solera J1/J2/J3 4.213 0 4.418

Solera J1/J3/E1 16.580 0 2.427

Solera J1/E1/E2 2.788 0 >5


Como puede observarse en las tablas anteriores, la cua formada por las familias J1, E1 y E2 se repite en todas las

orientaciones de las galeras, tanto en la caja izquierda como en la derecha. Las cuas formadas por las familias J1, J3 y

E2, as como las formadas por las familias J1, J2 y E1 o por J1, J3 y E1, tambin se forman en la mayora de las galeras,

siendo todas ellas estables con los sostenimientos aplicados.

De la misma manera se han realizado los clculos de caa de bloques para la seccin tipo ST-II, la cual est constituida por

pernos de 2,5 m de longitud espaciados en una malla de 2,25 m (T) x 2,25 m (L). Como puede observarse en las Tablas

5.3.2.5.II a 5.3.2.5.VII as como en las grficas del Anexo VIII, las cuas formadas son estables con el sostenimiento

aplicado, obtenindose factores de seguridad mucho ms altos que para la seccin tipo ST-I.

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

0

Caja dcho. J1/J3/E2 7.193 0,18 >10

Caja dcho. J1/E1/E2 2.063 1,4 >10

Caja dcho. J2/E1/E2 4.883 1,2 >10

Caja dcho. J1/J2/E1 40.478 0,25 2,7

Caja dcho. J1/J2/E2 4.656 0,24 4,4

Caja dcho. J3/E1/E2/ 4.985 0,051 >10

Clave J1/J2/J3 1.099 0 >10

Clave J1/J3/E1 10.975 0 5

Clave J1/E1/E2 3.252 0 >10

Clave J2/E1/E2 2.404 0 >1


orientacin N-S

INFORME


ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

45

Caja izq. J1/J3/E2 1.928 0,18 >10

Caja dcho. J1/J2/E1 15.557 0,24 3,8

Caja dcho. J1/J2/E2 1.924 0,24 >10

Caja dcho. J1/E1/E2 59.084 1,21 4,4


orientacin NE-SW (45)

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

65

Caja dcho. J1/J2/E1 11.051 0,25 7

Caja dcho. J1/E1/E2 44.482 1,2 4,9

Clave J1/J3/E1 6.121 0 5,6

Tabla 5.3.2.5.IV.- Factores de seguridad obtenidos en el anlisis de cada de bloques en la seccin tipo II para la

orientacin NE-SW (65)

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

90

Caja izq. J1/J3/E2 3.226 0,18 >10

Caja dcho. J1/J2/E1 12.691 0,24 8,11

Caja dcho. J1/E1/E2 2.253 0,24 >10

Caja dcho. J1/J3/E1 11.693 0 6,54


orientacin E-W

ORIENTACIN GALERA

NIVEL COMBINACIN

DE JUNTAS PESO

(T)

FACTOR DE SEGURIDAD

SIN SOSTENIMIENTO

CON SOSTENIMIENTO

155

Caja izq. J1/J3/E2 1.555 0,18 39

Caja izq. J1/E1/E2 63.724 1,4 4,73

Caja izq. J2/E1/E2 3.251 1,2 2,76

Solera J1/J2/J3 4.213 0 10,9

Solera J1/J3/E1 16.580 0 5,3

Solera J1/E1/E2 2.788 0 15


Análisis Estructural Unwedge

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